基片刻蚀方法
【专利摘要】本发明提供的基片刻蚀方法，其包括以下步骤：顶部圆角刻蚀步骤，向反应腔室内通入刻蚀气体，并开启激励电源和偏压电源，以在基片的位于掩膜与基片交界处刻蚀形成侧壁顶部具有圆角的沟槽；基片刻蚀步骤，继续向反应腔室内通入刻蚀气体，并保持激励电源和偏压电源开启，或者仅关闭偏压电源，以使沟槽达到预定深度；其中，刻蚀气体为碳氟类或碳氢氟类气体中的至少一种气体、氧气以及不含碳和氢的氟类气体的混合气体。本发明提供的基片刻蚀方法，其不仅可以获得顶部具有圆滑圆角的、倾斜的侧壁形貌，而且可以提高刻蚀深度和刻蚀速率。
【专利说明】基片刻蚀方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体领域，特别涉及一种基片刻蚀方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着MEMS器件和MEMS系统被越来越广泛的应用于汽车和消费电子领域， 以及TSV通孔刻蚀（ThroughSiliconEtch)技术在未来封装领域的广阔前景，干法等离子 体深硅刻蚀工艺逐渐成为MEMS加工领域及TSV技术中最炙手可热工艺之一。在基片上刻蚀 沟槽是一种常见的刻蚀工艺，而针对不同的应用，对沟槽的刻蚀形貌的要求也不同。例如， 在封装领域中，通常需要获得具有倾斜侧壁的沟槽形貌，如图1所示，以满足后续工艺的要 求；而且，为了保证器件的性能和稳定性，通常对侧壁顶部的形貌也具有一定的要求。
[0003] 现有的一种基片刻蚀方法主要包括下述步骤：
[0004] 顶部圆角刻蚀步骤，用于在沟槽侧壁上，且位于掩膜与基片交界的位置形成顶部 圆角；
[0005] 基片刻蚀步骤，在基片上刻蚀沟槽，以使其达到预定深度。
[0006] 在上述顶部圆角刻蚀步骤中，刻蚀气体采用CxHyFz中的至少一种气体与HBr的混 合气体，其中，x、y、z> 0,且x、y、z均为正整数。在上述基片刻蚀步骤中，刻蚀气体采用 CxFy中的至少一种气体与HBr、He和02的混合气体，其中，x、y> 0,且x、y均为正整数。
[0007] 上述基片刻蚀方法在实际应用中不可避免地存在以下问题：
[0008] 其一，上述基片刻蚀方法的刻蚀深度在4000?5000A，刻蚀深度较小，从而无法 满足对刻蚀深度要求较高的工艺。
[0009] 其二，述基片刻蚀方法的刻蚀速率在200?500nm/min，刻蚀速率较低，从而生产 效率较低，无法满足大规模生产的需求。
[0010] 其三，上述顶部圆角刻蚀步骤是通过由CxHyFz气体产生的反应副产物沉积在掩膜 与基片交界处，而在侧壁顶部获得圆滑的圆角，这种沉积方式仅适用于要求沟槽开口尺寸 与掩膜开口尺寸基本相当的工艺，而针对要求掩膜开口尺寸小于沟槽开口尺寸，即所谓的 "底切现象"的工艺，如图1所示，由CxHyFz气体产生的反应副产物因掩膜的阻挡而无法沉积 至侧壁顶部，从而无法在侧壁顶部获得圆滑的圆角。
【发明内容】
[0011] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种基片刻蚀方 法，其不仅可以获得顶部具有圆滑圆角的、倾斜的侧壁形貌，而且可以提高刻蚀深度和刻蚀 速率。
[0012] 为实现本发明的目的而提供一种基片刻蚀方法，包括以下步骤：
[0013] 顶部圆角刻蚀步骤，向反应腔室内通入刻蚀气体，并开启激励电源和偏压电源，以 在基片的位于掩膜与基片交界处刻蚀形成侧壁顶部具有圆角的沟槽；
[0014] 基片刻蚀步骤，继续向反应腔室内通入刻蚀气体，并保持激励电源和偏压电源开 启，或者仅关闭偏压电源，以使所述沟槽达到预定深度；
[0015] 其中，所述刻蚀气体为碳氟类或碳氢氟类气体中的至少一种气体、氧气以及不含 碳和氢的氟类气体的混合气体。
[0016] 其中，所述不含碳和氢的氟类气体包括sf6或nf3。
[0017] 优选地，所述碳氟类气体包括c4f8、c5f8和/或c2f6。
[0018] 优选地，所述碳氢氟类气体包括ch3f和/或ch2f2。
[0019] 其中，在所述顶部圆角刻蚀步骤中，所述碳氟类或碳氢氟类气体在反应腔室内的 含量与所述氧气和不含碳和氢的氟类气体的含量之和的比例在1:1与1:10之间。
[0020] 优选地，在所述顶部圆角刻蚀步骤中，所述碳氟类或碳氢氟类气体在反应腔室内 的含量与所述氧气和不含碳和氢的氟类气体的含量之和的比例在1:3与1:5之间。
[0021] 其中，在所述基片刻蚀步骤中，所述碳氟类或碳氢氟类气体在反应腔室内的含量 与所述氧气和不含碳和氢的氟类气体的含量之和的比例在15:1与2:1之间。
[0022] 优选地，在所述基片刻蚀步骤中，所述碳氟类或碳氢氟类气体在反应腔室内的含 量与所述氧气和不含碳和氢的氟类气体的含量之和的比例在10:1与5:1之间。
[0023] 其中，所述不含碳和氢的氟类气体的流量为100?2000sccm。
[0024] 其中，所述碳氟类或碳氢氟类气体的流量为100?2000Sccm。
[0025] 其中，在所述顶部圆角刻蚀步骤中，所述反应腔室的腔室压力为10?120mT。
[0026] 优选地，在所述顶部圆角刻蚀步骤中，所述反应腔室的腔室压力为40?90mT。
[0027] 其中，在所述基片刻蚀步骤中，所述反应腔室的腔室压力为120?250mT。
[0028] 优选地，在所述基片刻蚀步骤中，所述反应腔室的腔室压力为150?200mT。
[0029] 其中，在所述顶部圆角刻蚀步骤中，所述偏压电源输出偏压功率的范围在15? 50W;所述激励电源输出激励功率的范围在500?5000W。
[0030] 优选地，在所述顶部圆角刻蚀步骤中，所述偏压电源输出偏压功率的范围在20? 30W。
[0031] 其中，在所述基片刻蚀步骤中，所述偏压电源输出偏压功率的范围在0?15W;所 述激励电源输出激励功率的范围在500?5000W。
[0032] 优选地，在所述基片刻蚀步骤中，所述偏压电源输出偏压功率的范围在0?10W。
[0033] 其中，所述氧气的流量为10?lOOsccm。
[0034] 优选地，所述氧气的流量为30?70sccm。
[0035] 优选地，在向所述反应腔室通入刻蚀气体的同时，通入氦气或氩气作为辅助气体。
[0036] 本发明具有以下有益效果：
[0037] 本发明提供的基片刻蚀方法，其采用了碳氟类或碳氢氟类气体中的至少一种气 体、氧气以及不含碳和氢的氟类气体的混合气体作为刻蚀气体，由于不含碳和氢的氟类气 体可以增强各向同性刻蚀，而碳氟类或碳氢氟类气体可以增强各向异性刻蚀，这使得在顶 部圆角刻蚀步骤中，通过向反应腔室内通入比例相对较高的碳氟类或碳氢氟类气体，以及 比例相对较低的不含碳和氢的氟类气体，可以直接刻蚀出侧壁顶部具有圆滑圆角的沟槽， 这与现有技术中通过由刻蚀气体产生的反应副产物沉积在侧壁顶部而获得圆角的方式相 t匕，不仅适用于要求沟槽开口尺寸与掩膜开口尺寸基本相当的工艺，而且还适用于要求掩 膜开口尺寸小于沟槽开口尺寸的工艺，从而本发明提供的基片刻蚀方法具有更宽的应用范 围。
[0038] 而且，在基片刻蚀步骤中，通过向反应腔室内通入比例相对较低的碳氟类或碳氢 氟类气体，以及比例相对较高的不含碳和氢的氟类气体，可以获得较高的刻蚀深度和刻蚀 速率，从而可以提高工艺效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1为基片沟槽形貌的剖视图；
[0040]图2为本发明提供的基片刻蚀方法的流程框图；
[0041] 图3为本发明提供的基片刻蚀方法的流程示意图；以及
[0042] 图4采用发明提供的基片刻蚀方法获得的沟槽形貌的电镜扫描图。
【具体实施方式】
[0043] 为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明 提供的基片刻蚀方法进行详细描述。
[0044] 图2为本发明提供的基片刻蚀方法的流程框图。图3为本发明提供的基片刻蚀方 法的流程示意图。请一并参阅图2和图3,基片刻蚀方法包括以下步骤：
[0045] 顶部圆角刻蚀步骤，向反应腔室内通入刻蚀气体，并开启激励电源和偏压电源，以 在基片的位于掩膜与基片交界处刻蚀形成侧壁顶部具有圆角的沟槽。
[0046] 基片刻蚀步骤，继续向反应腔室内通入刻蚀气体，并保持激励电源和偏压电源开 启，或者仅关闭偏压电源，以使沟槽达到预定深度。
[0047] 其中，上述两个步骤中所采用的刻蚀气体为碳氟类或碳氢氟类气体中的至少一种 气体、氧气以及不含碳和氢的氟类气体的混合气体。优选地，不含碳和氢的氟类气体包括sf6或nf3 ;碳氟类气体包括c4f8、c5f8和/或c2f6 ;碳氢氟类气体包括ch3f和/或ch2f2。 [0048] 由于不含碳和氢的氟类气体可以增强各向同性刻蚀，而碳氟类或碳氢氟类气体可 以增强各向异性刻蚀，这使得在顶部圆角刻蚀步骤中，通过向反应腔室内通入比例相对较 高的碳氟类或碳氢氟类气体，以及比例相对较低的不含碳和氢的氟类气体，可以直接刻蚀 出侧壁顶部具有圆滑圆角的沟槽，这与现有技术中通过由刻蚀气体产生的反应副产物沉积 在侧壁顶部而获得圆角的方式相比，不仅适用于要求沟槽开口尺寸与掩膜开口尺寸基本相 当的工艺，而且还适用于要求掩膜开口尺寸小于沟槽开口尺寸的工艺，从而本发明实施例 提供的基片刻蚀方法具有更宽的应用范围。当然，碳氟类或碳氢氟类气体的含量也不应过 高，以防止形成粗糙的刻蚀形貌。在实际应用中，碳氟类或碳氢氟类气体在反应腔室内的含 量与氧气和不含碳和氢的氟类气体的含量之和的比例可以在1:1与1:10之间，优选地，在 1:3与1:5之间。
[0049] 优选地，在顶部圆角刻蚀步骤中，采用较低的腔室压力和/或较高的偏压功率可 以进一步增强各向异性刻蚀，以获得倾斜的侧壁，在实际应用中，反应腔室的腔室压力可以 为10?120mT，优选地，为40?90mT;偏压电源输出偏压功率的范围可以在15?50W，优 选地，在20?30W。
[0050] 在基片刻蚀步骤中，通过向反应腔室内通入比例相对较低的碳氟类或碳氢氟类气 体，以及比例相对较高的不含碳和氢的氟类气体，可以获得较高的刻蚀深度和刻蚀速率，从 而可以实现快速将沟槽刻蚀至预定刻蚀深度，进而可以提高工艺效率。在实际应用中，碳氟 类或碳氢氟类气体在反应腔室内的含量与氧气和不含碳和氢的氟类气体的含量之和的比 例在15:1与2:1之间，优选地，在10:1与5:1之间。容易理解，不含碳和氢的氟类气体的 含量也不应过高，以防止侧壁的倾角过大。
[0051] 优选地，在基片刻蚀步骤中，采用较高的腔室压力和/或较低的偏压功率可以进 一步增强各向同性刻蚀，从而可以提高刻蚀速率，在实际应用中，反应腔室的腔室压力可以 为120?250mT，优选地，为150?200mT;偏压电源输出偏压功率的范围在0?15W，优选 地，在0?10W。
[0052] 优选地，在顶部圆角刻蚀步骤和基片刻蚀步骤中，不含碳和氢的氟类气体的流量 可以为100?2000sccm;碳氟类或碳氢氟类气体的流量可以为100?2000sccm。
[0053] 优选地，在顶部圆角刻蚀步骤和基片刻蚀步骤中，均可以采用较高的激励功率，以 进一步提高刻蚀速率，优选地，激励电源输出激励功率的范围在500?5000W;
[0054] 优选地，在顶部圆角刻蚀步骤和基片刻蚀步骤中，在向反应腔室通入刻蚀气体的 同时，还可以通入氦气或氩气等的不与刻蚀气体发生反应的气体作为辅助气体。借助辅助 气体，不仅可以调节反应腔室内的气体总含量，而且还可以调节刻蚀气体的分布均匀性，从 而可以提高工艺控制的灵活性和工艺均匀性。
[0055] 另外，在顶部圆角刻蚀步骤和基片刻蚀步骤中，借助氧气作为刻蚀气体之一，可以 起到调节侧壁倾角的作用。氧气的流量可以为10?lOOsccm，优选地，为30?70sccm。
[0056] 下面对采用本发明提供的基片刻蚀方法刻蚀基片的一个具体实施例进行详细描 述。具体地，基片刻蚀方法包括下述步骤：
[0057] 顶部圆角刻蚀步骤，向反应腔室内通入刻蚀气体，并开启激励电源和偏压电源， 以在基片的位于掩膜与基片交界处刻蚀形成侧壁顶部具有圆角的沟槽。其中，刻蚀气体 为SF6、C4F8和02的混合气体，SF6的流量为800sccm;C4F8的流量为200sccm;02的流量为 6〇SCCm;激励电源输出激励功率为2500W;偏压电源输出偏压功率为20W;反应腔室的腔室 压力为100mT;刻蚀时间为2min。
[0058] 基片刻蚀步骤，继续向反应腔室内通入刻蚀气体，并关闭偏压电源，且保持激励电 源开启，以使沟槽达到预定深度。其中，SF6的流量为80〇SCCm;C4F8的流量为lOOsccm;02的 流量为5〇SCCm;激励电源输出激励功率为2500W;反应腔室的腔室压力为200mT;刻蚀时间 为 5min。
[0059] 采用该实施例提供的基片刻蚀方法获得的沟槽形貌如图4所示，沟槽的侧壁倾 斜，且其顶部具有圆滑的圆角，并且工艺的总刻蚀时间为8min，由此可知，本实施例提供的 基片刻蚀方法，其不仅可以获得顶部具有圆滑圆角的、倾斜的侧壁形貌，而且可以提高刻蚀 深度和刻蚀速率。
[0060] 可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施 方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精 神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种基片刻蚀方法，其特征在于，包括以下步骤： 顶部圆角刻蚀步骤，向反应腔室内通入刻蚀气体，并开启激励电源和偏压电源，以在基 片的位于掩膜与基片交界处刻蚀形成侧壁顶部具有圆角的沟槽； 基片刻蚀步骤，继续向反应腔室内通入刻蚀气体，并保持激励电源和偏压电源开启，或 者仅关闭偏压电源，以使所述沟槽达到预定深度； 其中，所述刻蚀气体为碳氟类或碳氢氟类气体中的至少一种气体、氧气以及不含碳和 氢的氟类气体的混合气体。
2. 如权利要求1所述的基片刻蚀方法，其特征在于，所述不含碳和氢的氟类气体包括 SF6 或 NF3。
3. 如权利要求1所述的基片刻蚀方法，其特征在于，所述碳氟类气体包括C4F8、C5F 8和 / 或 C2F6。
4. 如权利要求1所述的基片刻蚀方法，其特征在于，所述碳氢氟类气体包括CH3F和/ 或 ch2f2。
5. 如权利要求1所述的基片刻蚀方法，其特征在于，在所述顶部圆角刻蚀步骤中，所述 碳氟类或碳氢氟类气体在反应腔室内的含量与所述氧气和不含碳和氢的氟类气体的含量 之和的比例在1:1与1:10之间。
6. 如权利要求5所述的基片刻蚀方法，其特征在于，在所述顶部圆角刻蚀步骤中，所述 碳氟类或碳氢氟类气体在反应腔室内的含量与所述氧气和不含碳和氢的氟类气体的含量 之和的比例在1:3与1:5之间。
7. 如权利要求1所述的基片刻蚀方法，其特征在于，在所述基片刻蚀步骤中，所述碳氟 类或碳氢氟类气体在反应腔室内的含量与所述氧气和不含碳和氢的氟类气体的含量之和 的比例在15:1与2:1之间。
8. 如权利要求7所述的基片刻蚀方法，其特征在于，在所述基片刻蚀步骤中，所述碳氟 类或碳氢氟类气体在反应腔室内的含量与所述氧气和不含碳和氢的氟类气体的含量之和 的比例在10:1与5:1之间。
9. 如权利要求1所述的基片刻蚀方法，其特征在于，所述不含碳和氢的氟类气体的流 量为 100 ?2000sccm。
10. 如权利要求1所述的基片刻蚀方法，其特征在于，所述碳氟类或碳氢氟类气体的流 量为 100 ?2000sccm。
11. 如权利要求1所述的基片刻蚀方法，其特征在于，在所述顶部圆角刻蚀步骤中，所 述反应腔室的腔室压力为10?120mT。
12. 如权利要求11所述的基片刻蚀方法，其特征在于，在所述顶部圆角刻蚀步骤中，所 述反应腔室的腔室压力为40?90mT。
13. 如权利要求1所述的基片刻蚀方法，其特征在于，在所述基片刻蚀步骤中，所述反 应腔室的腔室压力为120?250mT。
14. 如权利要求13所述的基片刻蚀方法，其特征在于，在所述基片刻蚀步骤中，所述反 应腔室的腔室压力为150?200mT。
15. 如权利要求1所述的基片刻蚀方法，其特征在于，在所述顶部圆角刻蚀步骤中，所 述偏压电源输出偏压功率的范围在15?50W ;所述激励电源输出激励功率的范围在500? 5000W。
16. 如权利要求15所述的基片刻蚀方法，其特征在于，在所述顶部圆角刻蚀步骤中，所 述偏压电源输出偏压功率的范围在20?30W。
17. 如权利要求1所述的基片刻蚀方法，其特征在于，在所述基片刻蚀步骤中，所述 偏压电源输出偏压功率的范围在〇?15W ;所述激励电源输出激励功率的范围在500? 5000W。
18. 如权利要求17所述的基片刻蚀方法，其特征在于，在所述基片刻蚀步骤中，所述偏 压电源输出偏压功率的范围在〇?10W。
19. 如权利要求1所述的基片刻蚀方法，其特征在于，所述氧气的流量为10? lOOsccm。
20. 如权利要求19所述的基片刻蚀方法，其特征在于，所述氧气的流量为30? 70sccm〇
21. 如权利要求1所述的基片刻蚀方法，其特征在于，在向所述反应腔室通入刻蚀气体 的同时，通入氦气或氩气作为辅助气体。
【文档编号】B81C1/00GK104370268SQ201310359176
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】蒋中伟 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司